電弧爐工作原理及其對電能質(zhì)量的影響

為了了解電弧爐對電能質(zhì)量和電能效率影響的產(chǎn)生原因，需要對電弧爐設(shè)備的特殊性做一下簡單介紹。

1、電弧爐分類和工作原理

電弧爐是利用電弧能來冶煉金屬的一種電爐。工業(yè)上應(yīng)用的電弧爐可分為三類：第一類是直接加熱式，電弧發(fā)生在專用電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料直接受到電弧熱。主要用于煉鋼，其次也用于熔煉鐵、銅、耐火材料、精煉鋼液等。

第二類是間接加熱式，電弧發(fā)生在兩根專用電極棒之間，爐料受到電弧的輻射熱，用于熔煉銅、銅合金等。這種爐子噪聲大，熔煉質(zhì)量差，已逐漸被其它爐類所取代。

第三類稱為礦熱爐，是以高電阻率的礦石為原料，在工作過程中電極的下部一般是埋在爐料里面的。其加熱原理是：既利用電流通過爐料時，爐料電阻產(chǎn)生的熱量，同時也利用了電極和爐料間的電弧產(chǎn)生的熱量。所以又稱為電弧電阻爐。

2、電弧爐的組成設(shè)備爐用變壓器

電弧煉鋼用變壓器應(yīng)能按冶煉要求單獨進(jìn)行電壓電流的調(diào)節(jié)，并能承受工作短路電流的沖擊。

電爐變壓器額定電壓的選擇要考慮許多因素。若一次側(cè)電壓取高些，則系統(tǒng)電抗小，短路容量大，可減少閃變，但須增加配電裝置費用。若二次電壓高些，則功率因素較高，電效率較高，但電弧長，爐墻損耗快，綜合效率變低。

一般電爐變壓器二次側(cè)均為低電壓（幾十至幾百伏），大電流（幾千至幾萬安）。為保證各個熔煉階段對電功率的不同需要，變壓器二次電壓要能在50%~70%的范圍內(nèi)調(diào)整，因此都設(shè)計成多級可調(diào)形式。調(diào)整方法有變換、有載調(diào)壓分接開關(guān)等。變壓器容量小于10MVA者，可進(jìn)行無載切換；容量在10MVA以上者，一般應(yīng)是有載調(diào)壓方式。也有三相分別設(shè)置分接頭裝置，各相分別進(jìn)行調(diào)整，可以保障爐內(nèi)三相熱能平衡。

與普通電力變壓器相比，電爐專用變壓器有以下特點：a.有較大的過負(fù)荷能力；b.有較高的機械強度；c.有較大的短路阻抗；d.有幾個二次電壓等級；e.有較大的變壓比；f.二次電壓低而電流大。

電爐變壓器和電弧爐的容量比一般為0.4~1.2MVA/t。電弧爐的電流控制，是由電弧爐變壓器高壓側(cè)繞組分接頭的切換和電極的升降來達(dá)到的。

電抗器

為了穩(wěn)定電弧和限制短路電流，需要約等于變壓器容量35%的電抗容量，串入變壓器主回路中。大型電弧爐變壓器，本身具有滿足需要的電抗值，不需外加電抗器；而小于10MVA的變壓器，電抗不滿足要求，需在一次側(cè)外加電抗器。電抗器的結(jié)構(gòu)特點是：既使通過短路電流，鐵芯也不發(fā)生磁飽和。

電抗器可裝在電爐變壓器的內(nèi)部，稱為內(nèi)附式；也可做成裝在變壓器外部的獨立電抗器，稱為外附式。電爐變壓器一般要串聯(lián)電抗器，使得變壓器短路阻抗和電抗器電抗之和達(dá)到0.33~0.5標(biāo)準(zhǔn)值（以電爐變壓器額定容量為基準(zhǔn)）。

容量小于10MVA的電爐變壓器，有時在其高壓側(cè)裝有串聯(lián)電抗器，以降低短路電流和穩(wěn)定電弧。對于較大容量的電爐變壓器，它本身的漏電抗已足夠大，不需再串聯(lián)電抗器。

高壓斷路器

煉鋼電弧爐對高壓斷路器的要求是：斷流容量大；允許頻繁動作；便于維修和使用壽命長。電弧電阻爐負(fù)載平穩(wěn)，連續(xù)運行，常用多油或少油式高壓斷路器，煉鋼電弧爐斷路器經(jīng)常跳閘，多選用六氟化硫斷路器、電磁式空氣斷路器、真空斷路器等。

電流互感器

大型煉鋼電弧爐的二次電流很大，無法配用電流互感器。因此，低壓側(cè)儀表，電極升降自動調(diào)節(jié)電流信號，都接到高壓側(cè)電流互感器上，或接在電爐變壓器的第三繞組上（可變變比）。

電磁攪拌器

為了強化鋼液與熔渣反應(yīng)，使鋼液溫度和成分均勻，在煉鋼電弧爐爐底部，加裝電磁攪拌器。

攪拌器由繞有兩組線圈的鐵芯構(gòu)成。它本身相當(dāng)于電機的定子，溶池中的鋼液相當(dāng)轉(zhuǎn)子。攪拌器線圈中通以可產(chǎn)生移相磁場的兩相低頻電流，磁場使鋼液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，移動磁場與感應(yīng)電流相互作用，使鋼液在電動力的推動下，順著移動磁場移動的方向流動，從而使鋼液得到了攪拌。

采用電磁攪拌的電弧爐，其爐底要用非磁性鋼板制成。為了改變電磁攪拌器的攪拌力，要求采用可調(diào)頻率的低頻電源，其頻率在0.3~0.5HZ內(nèi)調(diào)節(jié)。一般采用晶闡管變頻電源。需加裝電容器以提高功率因素，并加裝電抗器防止產(chǎn)生諧振。

通過對電弧爐設(shè)備的電氣特性的分析，可以得出以下結(jié)論：

a) 為使電弧爐工作中不發(fā)生斷弧現(xiàn)象，當(dāng)電流瞬時為零時，電弧電壓Uh必須大于引燃電壓。

b) 為限制短路電流，變壓器二次回路必須有一定的電抗值，功率因素不能過于接近1。對于普通電弧爐回路工作點的功率因素范圍在0.8~0.85之間；對于高功率的電弧爐，在0.7~0.8之間。

c) 電壓閃變問題：用電負(fù)荷劇烈波動，造成供電系統(tǒng)瞬時電壓驟升驟降。

3、電弧爐對電能質(zhì)量的影響

電弧爐的冶煉過程分兩個階段，即熔化期和精煉期。在熔化期，相當(dāng)多的爐內(nèi)填料尚未熔化而呈塊狀固體，電弧阻抗不穩(wěn)定。有時因電極都插入熔化金屬中而在電極間形成金屬性短路，并且依靠電爐變壓器和所串電抗器的的總電抗來限制短路電流，使之不超過電爐變壓器額定電流的2~3倍。不穩(wěn)定的短路狀態(tài)使得熔化期電流的波形變化極快，實際上每半個工頻周期的波形都不相同。

在熔化初期以及熔化的不穩(wěn)定階段，電流波形不規(guī)律，故諧波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次諧波電流。據(jù)西北電研院實測，第2、3、5次諧波電流含有率常達(dá)5%~6%及以上，嚴(yán)重時可達(dá)20%以上。但當(dāng)某一次諧波電流達(dá)到很大值時，其他次諧波電流一般會是較小值。

電弧爐電極間電壓的典型值在100~600V范圍，其中電極壓降約為40伏，電弧壓降約為12V/cm、電弧越長壓降越大。在熔化期電弧爐的電壓變化大，最高和最低電壓可相差2~5倍。由于電弧爐負(fù)荷的隨機性變化和非線性特征，尤其在熔化期產(chǎn)生隨機變化的諧波電流，除了離散頻譜外、還含有連續(xù)頻譜分量。含偶次諧波，表明電弧電流的正、負(fù)半周期不對稱；含連續(xù)頻譜和間諧波，表明電弧電流的變化帶有非周期的隨機性。

在熔化期三相不平衡電流含有較大的負(fù)序分量。當(dāng)一相熄弧另兩相短路時，電流的基波負(fù)序分量與諧波的等值負(fù)序電流可達(dá)正序的50%~70%。這將引起公共供電點的電壓不平衡，對電機的安全運行影響較大，尤其對大電機的影響更為嚴(yán)重。

實際上電弧爐最重要的影響還不是諧波問題，而是電壓波動和閃變。大型電弧爐會引起對電網(wǎng)的劇烈擾動，有的大型爐的有功負(fù)荷波動，能夠激起鄰近的大型汽輪發(fā)電機的扭轉(zhuǎn)振蕩和電力系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線上的低頻振蕩。此類沖擊性負(fù)荷會引起電網(wǎng)電壓波動。頻率在6~12HZ范圍內(nèi)的電壓波動，即使只有1%，其引起的白熾燈照明的閃光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人會感到難以忍受。尤其是電弧爐在接入短路容量相對較小的電網(wǎng)時，它所引起的電壓波動（有時還包括頻率波動）和三相電壓不平衡，會危害連接在其公共供電點的其他用戶的正常用電。

電弧爐的基波負(fù)序電流也較大，熔化期平均負(fù)序電流為基波正序電流的20%左右。最大負(fù)序電流都發(fā)生在兩極短路時，但這時諧波電流含量不大。必須指出，電弧爐的電壓波形變化是隨機性的，所以當(dāng)數(shù)臺電弧爐同時運轉(zhuǎn)時，它們引起的各種擾動不會和電弧爐的臺數(shù)成正比，而是要小一定數(shù)值，一臺30t的電弧爐的電能擾動影響比6臺5t電弧爐的影響要大得多。從閃變影響來講，6臺5t的電弧爐尚不及一臺10t爐的影響大。電弧爐的諧波影響也是主要取決于最大一臺爐的容量，而較少信賴多臺爐的總?cè)萘?。國?nèi)外經(jīng)驗表明，"超高功率"電弧爐有時成為當(dāng)?shù)刈钪匾C波源和多種擾動源。但對于短路容量很小的電網(wǎng)，小電弧爐也能成為重要的諧波源。

以下是某電弧爐在熔化期的閃變和諧波的數(shù)據(jù)。

被測設(shè)備：三相交流電弧爐，額定工作電壓：260V，額定電流：12000A，功率：5500Kw

1）電弧煉鋼過程閃變測試

上圖表示電弧開始熔化煉鋼時的電壓中含有大量的瞬態(tài)電壓浪涌，最大尖峰值達(dá)到448V，平均每小時的發(fā)生頻率達(dá)到633600次。

上圖顯示即使在熔清狀態(tài)，電壓中仍然含有大量的閃變，達(dá)到168400次，尖峰值達(dá)到352V。

2）電弧煉鋼過程諧波總畸變率測試

通過對熔化期電壓諧波總畸變率進(jìn)行連續(xù)測試，得到如下數(shù)據(jù)：

加料后熔化期初始的電壓諧波總畸變率27.4%

加料后熔化期末期的電壓諧波總畸變率7.0%連續(xù)測試的電壓諧波總畸變率數(shù)據(jù)及變化如下圖表：

以上數(shù)據(jù)顯示，由于嚴(yán)重的閃變的影響，電弧爐工作系統(tǒng)中的諧波總畸變率超過了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%，嚴(yán)重時可以達(dá)到27%，對于電網(wǎng)系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波污染。

可以看出，電弧爐做為非線性及無規(guī)律負(fù)荷接入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)和其他負(fù)載產(chǎn)生一系列的不良影響，其中主要是：

·  導(dǎo)致電網(wǎng)嚴(yán)重三相不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流

·  產(chǎn)生高次諧波、其中普遍存在如2、4次偶次諧波與3、5、7次等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更趨復(fù)雜化

·  功率因素降低

在一個電網(wǎng)中，電壓的改變會影響所以接于這個電網(wǎng)的負(fù)載，因此電弧爐對電網(wǎng)的影響可以稱為電網(wǎng)的環(huán)境污染。必須采取技術(shù)措施進(jìn)行抑制。當(dāng)電弧爐功率大于電網(wǎng)短路功率的1/80時，通常需要考慮對電網(wǎng)的影響問題。

4、電弧爐對電能效率的影響

4.1電弧爐的用電環(huán)境和狀況用于冶煉的電弧爐一般有三個特征工作階段：

·  開始熔化階段，固體爐料熔化，能量需求最大

·  初精煉及加熱階段

·  精煉期，此階段輸入能量只需平衡熱損壞

普通交流電弧爐的冶煉周期約為3~8h，取決于供電電路參數(shù)、電爐容量和冶煉的工藝等。熔化期約0.5~2h，為三相不對稱的沖擊負(fù)荷，電流極不穩(wěn)定，消耗電能大、約占總耗電量的60%~70%。氧化和還原的精煉期電壓波動和耗電量都顯著降低。

在廢鋼冶煉時電弧爐的工作特性為：

·  在開始熔化時電弧頻繁出現(xiàn)截斷和重新燃弧

·  全熔化期出現(xiàn)電弧波動，并導(dǎo)致電流急劇變化

·  發(fā)生塌料導(dǎo)致短路

普通電弧爐回路工作點的功率因素范圍在0.8~0.85之間；對于高功率的電弧爐，在0.7~0.8之間。較低的功率因素必然造成電能效率的低下。

4.2電能效率的影響

電弧爐對于電能的浪費主要表現(xiàn)在二個方面，一是功率因素較低，二是在熔化期間產(chǎn)生大量的閃變和諧波。

閃變是引起諸如諧波失真、電壓電流失相等等多種副作用的最主要原因。"閃變"(Transients)是交流正弦波電路上電流與電壓的一種瞬態(tài)畸變。其主要的表現(xiàn)形式為浪涌、尖峰、諧波等。美國著名能源理論家赫斯菲爾德博士認(rèn)為，這種畸變的主要特點是超高壓、超高速、超高頻次。

超高壓：指閃變尖峰高出正常電壓幅值的2-50倍，最高可達(dá)500-10000伏。

超高速：指閃變尖峰發(fā)生在極短的時間內(nèi)，它可以在數(shù)萬億（百萬的二次冪）分之一秒內(nèi)完成從迸發(fā)到消失的過程。

超高頻次：指閃變尖峰的活動十分頻繁，可以說閃變無時不在、無處不在，一盞燈的開關(guān)、一個家用電器的啟動、甚至電腦鍵盤或鼠標(biāo)的點擊，就有數(shù)十個閃變產(chǎn)生，電壓高達(dá)500-1200伏。

即使到目前，這些高壓高頻次的閃變作為敏感電力設(shè)備被破壞原因之一的事實仍然被忽視。而且另一方面，我們知道，電功等于電流和電壓的乘積，電壓或電流的瞬時增長會導(dǎo)致更大的瞬時消耗功率，由于電弧爐加熱端是阻性負(fù)荷，這些瞬時電壓或電流不能參與電弧爐的起弧和加熱，只能以無效功率的形式通過反饋到感性負(fù)荷中以鐵損和線損的形式散發(fā)，而電弧爐系統(tǒng)中的感性負(fù)荷是變壓器，這些瞬時無效功率在變壓器中的消耗對于冶煉過程沒有任何貢獻(xiàn)，這是在電弧爐工作時長期未予考慮的。

暫且不考慮電弧爐由于功率因素較低產(chǎn)生的電能浪費現(xiàn)象，僅考慮在冶煉熔化期產(chǎn)生的大量閃變，我們就可以知道，電弧爐的電能效率相對于平穩(wěn)運行（產(chǎn)生閃變數(shù)量很少）的同等額定功率的設(shè)備來說也是較低的。

抑制或還原電弧爐在冶煉熔化期產(chǎn)生的閃變的數(shù)量和閃變尖峰值，將這部分無效功率轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Чβ?，既可以提高電弧爐的電能效率，節(jié)省電能，也可以消除其對電網(wǎng)的沖擊和污染，同時對敏感電力設(shè)備起到保護(hù)作用。